I motori
aspirati o atmosferici come dicono gli stessi nomi si autoalimentano
per cio' che concerne la carica di comburente (ossigeno).
Durante il loro funzionamento richiamano una certa quota di aria per
depressione.
L'energia cosi' prodotta dalla combustione del combustibile (che nel
caso dei motori alimentati a benzina richiede 14,7 parti d'aria per
ogni parte di combustibile) con l'aria aspirata e' proporzionale
alla quantita' di miscela introdotta nei cilindri.
Ad ogni giro completo dell' albero motore (360°) il motore "sposta
"un volume d'aria equivalente alla sua cilindrata.
Questo e' valido pero' solo trascinando molto lentamente il motore.
La respirazione del motore avviene tramite valvole comandate che
permettono un flusso di aria unidirezionale.
Ossia aspira lato aspirazione e scarica lato scarico.
Queste valvole mettono in comunicazione tramite dei condotti il
cilindro/i con l'ambiente esterno.
Questi passaggi comprendenti valvole e condotti introducono delle
perdite di carico nel fluido che li attraversa peggiorando le
caratteristiche respiratorie del motore.
D'altro canto non si possono aumentare i loro diametri poiche'accedono
alla camera di combustione tramite la testata che ha dimensioni
finite.
Le dimensioni di questi passaggi sono quindi limitate dai seguenti
fattori dimensionali:
diametro del cilindro (alesaggio), e numero delle valvole che sono
almeno 2 per ogni cilindro(una di aspirazione ed una di scarico).
All'aumentare del numero di giri del motore ,il tempo di apertura
delle valvole diminuisce,e con esso il tempo concesso all'aria per
accedere al cilindro.
Verrebbe da pensare che a causa degli attriti fluido dinamici che
aumentano all'aumentare del regime del motore e del tempo di
apertura delle valvole che invece diminuisce sempre all'aumentare
del regime di rotazione del motore ,questi non sia piu' capace di
autoalimentarsi.
Fortunatamente la situazione e' diversa: durante il suo moto,l'aria
acquisisce una certa energia cinetica che opportunamente sfruttata
permette di aggirare i problemi sopra esposti.
Basti per un attimo pensare ai motori di F1 che sono capaci di
ruotare rendendo il meglio di se anche a 18000 g/min.
La comprensione del perche' richiede conoscenze di acustica e di
fluidodinamica.
Richiede lo sviluppo di algoritmi di calcolo di estrema complessita'.
Il risultato di queste fatiche sono motori capaci di avere
rendimenti volumetrici superiori all'unita' anche a 10000g/min
il rendimento volumetrico e' un numero adimensionale :
n= Vasp/Vgeom
n rendimento
Vasp volume d'aria aspirata dal motore
Vgeom volume d'aria geometrico ,ossia contenuto dal cilindro se
fosse tutto pieno.
Quando Vasp=Vgeom vuol dire che il motore aspira una quantita'
d'aria equivalente alla sua cilindrata.
Il corretto sfruttamento dei fenomeni pulsatori che avvengono nei
condotti permette di far aspirare al motore per un ristretto numero
di giri una quantita' di aria superiore alla sua cilindrata.
E' come se si stesse sovralimentando il motore.
Nei motori automobilistici di grande serie e' molto difficile che il
rendimento volumetrico superi anche nelle migliori condizioni gli
0.9.
Questo significa che il motore eroghera' una potenza del 90%
rispetto allo stesso motore capace di respirare a pieni polmoni.Alla
ricerca delle massime prestazioni si cercheranno quindi a parita' di
cilindrata i massimi livelli di alesaggio possibili compatibilmente
con altri fattori.
Questi fattori non riguardano la respirazione del motore che come
abbiamo visto e' una caratteristica del complessivo testata,valvole
condotti ed algoritmi di calcolo),bensi' problemi di termodinamica
della combustione e problemi di rendimento meccanico.
Senza addentrarci per il momento su questi nuovi parametri si puo'
dire che non si puo'aumentare l'alesaggio a dismisura,ed al contempo
ridurre la corsa del pistone ,poiche' sorgono altri problemi.
Ci concentreremo per ora sulle problematiche inerenti la
fluidodinamica dei condotti ed i fenomeni pulsatori.
Analizziamo ora il moto delle valvole.
Il moto delle valvole consente al motore di comportarsi come una
pompa.
Poiche' si sta parlando di motori alternativi in cui la volumetria
e' funzione della posizione del pistone che ha un moto alterno,si
possono identificare 10 punti:
Punto Morto Superiore: il pistone si trova nella parte piu' alta del
motore
Punto Morto Inferiore: il pistone si trova nella parte inferiore del
motore.
Inizio Fase di Aspirazione =apertura valvole aspirazione
Fine Fase di Aspirazione= chiusura valvole aspirazione
Inizio Fase di Compressione= valvole aspirazione e scarico chiuse
Fine Fase di Compressione= valvole aspirazione e scarico chiuse
Inizio Fase scoppio (Espansione)= valvole di scarico
Fine fase di Espansione
Inizio Fase di Scarico
Fine Fase di Scarico
Le fasi sono 4 e nel seguente ordine temporale:aspirazione
,compressione,espansione e scarico.
La fase di compressione e' caratterizzata dalla presenza di tutte le
valvole chiuse.
In questa fase l'intera carica aspirata viene compressa dal moto del
pistone che raggiunge il PMS per poi essere accesa.
La fase di espansione e' caratterizzata dalla combustione della
miscela che avviene all'inizio della stessa fase.
Poiche' le valvole sono tutte chiuse durante questa fase ,l'energia
sviluppata sotto forma di calore e di pressione viene trasformata
dal complesso pistone-biella-albero motore in energia meccanica.
I primi prototipi di motori a ciclo Otto presentavano queste
coincidenze:
IFA=PMS
FFA=PMI
IFC=PMI
FFC=PMS
IFE=PMS
FFE=PMI
IFS=PMI
FFS=PMS
Oggigiorno solo Fine Fase Compressine ed IFE hanno mantenuto la
coincidenza con il PMS.
Tutte le altre fasi non coincidono piu' con i punti indicati.
La ricerca ha scoperto che per i gia' citati fenomeni pulsatori
dell'aria che si manifestano durante il funzionamento del motore
l'inizio e la fine ideale delle fasi di A. e S. non coincidono piu'
con i punti morti del pistone,bensi' con l'inversione dei moti
fluidodinamici.
Abbiamo in precedenza parlato di inerzia dell'aria ,ebbene questa fa
si che non si metta istantaneamente in movimento nel momento in cui
si apre la valvola per i fenomeni di pressori.
Questo avviene con un certo ritardo.
La velocita' dell'aria quindi segue una legge che vede una
accelerazione del fluido e a seguire un suo rallentamento.
Il tempo che il fluido impiega a raggiungere la velocita' massima e'
dipendente dagli attriti,dal salto di pressione (quindi dalla forza
che la sollecita') e dalla sua massa.
I gas essendo comprimibili al contrario dei liquidi, se sottoposti a
questo tipo di sollecitazione non si mettono subito tutti in
movimento ,ma seguono un comportamento ad onda di pressione.
Queste onde sono caratterizzate da zone ad alta e a bassa pressione.
La velocita' di propagazione di queste onde e' una caratteristica
intrinseca del gas e del suo stato,temperatura ecc....
Nel caso dell'aria a temperatura ambiente la velocita' e' pari (che
strano) a quella del suono(onde sonore) che corrisponde a circa 344
m/s.
Quindi se noi applichiamo una differenza di pressione all'inizio di
un condotto della lunghezza di 1m l'aria presente dall'altro capo si
mettera' in movimento quando arrivera' l'onda :che avvera' a t=
1m/340(m/s) ossia t=0.0029411 sec equivalenti a 2.944 millisecondi.
Un tempo che puo' sembrare breve ,ma che comporta uno sfasamento
delle fasi accennate che aumenta in proporzione ai giri del motore
che effettua nell'unita' di tempo
Osservando un qualsiasi diagramma di distribuzione di un attuale
motore ci si rende subito conto che l'apertura della valvola di
aspirazione avviene prima che il pistone raggiunga il PMS.
Questo significa che quando si apre la VA il pistone non ha ancora
terminato la sua corsa verso l'alto,questa scelta avviene per
sfruttare l'inerzia che possiede il gas ,con questo artificio si
riesce ad introdurre una quantita' superiore di gas nel cilindro
rispetto ad un' apertura al PMS.
IL TURBO
COMPRESSORE
Il turbocompressore e'
in sostanza una pompa accoppiata ad una turbina.
La pompa chiamata compressore (C.) che ha il compito di pompare il
fluido che nel nostro caso e' l’aria, e' costituita da una girante e
da una chiocciola di raccolta del fluido.
La girante del C prende il moto da un alberino a sua volta azionato
dalla turbina (T)
La turbina (T.) e' di forma analoga al C .
L’alberino assialmente collegato al C e alla T fa si che questi due
girino ai medesimi g/m.
L’alberino inoltre ruota su dei cuscinetti volventi o a sfere
all’interno del carter :un corpo cilindrico che ne permette la
lubrificazione ed il raffreddamento.
Il compito della T. e' quello di trasformare l’energia termocinetica
dei gas di scarico in energia meccanica ,quello del cmpressore e'
quello di trasformare l’energia meccanica per ottenere aria
compressa.
Le dimensione del C. e del T. come pure le loro proporzioni nonché i
profili delle giranti ne determinano il campo operativio. Queste
macchine operatrici sono di tipo asso-radiali.
Ossia accoppiano una sezione con un funzionamento assiale ad uno
radiale .
Le chiocciole di raccolta hanno il compito di permettere la
trasformazione dell’energia quanto piu' possibile adiabatica, priva
cioe' di perdite di rendimento (questo nella realta' non avviene mai
a causa dei fluidi che non sono ideali ed a causa delle macchine che
non sono mai perfette).
Le curve di rendimento del C. come della T. sono caratterizzate da
delle isole di rendimento.
Queste curve sono delimitate dalle condizioni di stallo da una parte
e di saturazione dall’altra.
Dalla sovrapposizione delle curve del T.C. con quelle del rendimento
volumetrico del propulsore si puo' determinare quale sia
l’accoppiamento ideale fra le due macchine.
Come si è visto il C ha il compito di spingere l’aria ,durante
questo lavoro essa subisce una compressione, ossia aumenta la sua
densita' ed un aumento della propria temperatura .
Quando si vogliano aumentare le prestazioni del proprio veicolo
senza effettuare sostituzioni del T.C. aumentando quindi la Q.(prevalenza)
del T.C. e' importante considerare come questo innalzamento di
pressione influisca (e in quale proporzione) sul suo rendimento.
Ossia e' pur vero che per modesti aumenti di Q. aumenti pure potenza
e coppia del motore (grazie all'aumento di densita' dell'aria
aspirata),ma il diminuito rendimento fara' si che i miglioramenti
potrebbero essere sovrastimati.
Difatti una diminuzione del rendimento del T.C. si riperquote in un
considerevole aumento di temperatura della carica d’aria compressa
in uscita dal C. con la consegente diminuzione di densita'.
Essendo l’idea del preparatore quella di aumentare la portata
respiratoria del motore tramite appunto un aumento di Q. una
diminuzione della densita' dell’aria potrebbe addirittura provocare
una diminuzione della massa d’aria elaborata e quindi una
diminuzione di potenza erogata.
In oltre un diminuito rendimento del groppo T.C. fa si che la
richiesta di energia per l’effettuazione dello stesso lavoro ,ne
richieda una quota proporzionalmente superiore.
A questo proposito faccio un esempio il cui scopo e' puramente
indicativo.
Si suppone che il rendimento del T.C. (in condizioni nominali)sia
conosciuto, ammettiamo r=0.70,
e che a seguito di un aumento della Q. alla ricerca di una superiore
portata il rendimento passi a r=0.50
Questi numeri stanno a significare quale quota di energia sia
realmente trasformata in quella che desideriamo:
il 70% (r=0.70) dell’energia fornita al TC e' a noi realmente
disponibile in Q. e portata.
I gas di scarico si ricorda sono coloro che cedono energia alla T,
ma se questa ne richiede di piu' le verra'fornita dal motore che
durante il ciclo di scarico presentera' maggiori perdite di
pompaggio.
Se si volesse quindi realizzare un aumento della portata del +10%
tramite un aumento della pressione di mandata (senza quantificare
pero’ l’aumento di Q.)e questo comportasse un passaggio del
rendimento del T.C. dal
70% al 50%:
con un consumo in potenza (ipotizzato) del T.C. con r=0.70 di 10 CV
si avrebbe:
Pc=10*70%=7CV (potenza disponibile al compressore)
Affinche' si abbia un aumento della portata del 10% la potenza utile
che necessita al compressore diventa:
Pc2=Pc+(Pc*10%)= 7+0.7=
Pc2=7.7CV
Ma per avere disponibili questi 7.7CV con un rendimento r=0.50
Pt.c.=Pc2/0.50=15.4CV (potenza assorbita dal T.C.)
Ptc e’ la potenza ora assorbita dal T.C. per avere un +10% di
potenza al motore.
Ora al motore quei 5.4CV in piu'(15.4-10CV)da cedere al T.C. sono
forniti dal motore,quindi il guadagno e' ridotto di 5.4CV.
nell’ipotesi in cui il motore erogasse prima della modifica 100CV
ora ne avremmo:
Pm2=Pm+Pm*10%-5.4=104.6CV
N.B.
Tutto questo senza calcolare l’innalzamento della temperatura
dell’aria e la sua diminuita densita' che comporta una ulteriore
diminuzionedella potenza utile!(ma a questo si pone rimedio con una
opportuna maggiorazione dello intercooler).
Considerazioni:
Gli accoppiamenti motore T.C sono in genere tali che il rendimento
del TC sia in genere compreso fra 0.65-0.75 alla massima potenza a
seconda che l’accoppiamento sia effettuato in basso o in alto
(stiamo parlando dei giri del motore).
Innalzare la Pc da 1 bar ad 1.2 non è uguale che portarla da 0.6 a
0.8bar in quest’ultimo caso e' probabile infatti che il rendimento
rimanga invariato o che cali in misura impercettibile.
I T.C. sono delle macchine piuttosto costose ,per questo le
chiocciole di raccolta sono spesso realizzate per colata e le loro
superfici interne non hanno le finiture ottimali ,in taluni casi
addirittura le loro geometrie sono perfettibili, se questi lavori
fossero effettuati direttamente dai produttori il costo finale di
questi marchingegni aumenterebbe drasticamente sino a rendere
controproducente la loro applicazione (come vedete anche qui’ si
parla di rendimento ,una cosa che non bisogna mai dimenticare).
Questi lavori sono a carico esclusivamente dei preparatori ,e
raramente sono alla portata degli appassionati a causa delle
tolleranze e delle dimensioni minime che spesso questi gruppi
possiedono.
Questo tipo di lavori hanno lo scopo di ampliare le isole di
rendimento del T.C. senza pero’ spostarne il loro campo operativo.
Vediamo in che modo.
Le chiocciole di raccolta hanno lo scopo di trasformare la pressione
in velocita' nel caso della turbina ,e da velocità in pressione nel
caso del compressore ,le giranti hanno invece il compito di
trasformare l’energia cinetica dei gas in meccanica nel primo caso e
di trasformare l’energia meccanica in energia cinetica nel secondo.
Lavorare le chiocciole significa migliorarne il loro rendimento.
Sottolineo quindi l’eliminazione di qualsiasi bava di fusione e di
ottenere una elevata finitura superficiale.
In talune realizzazioni come nel caso della GARRETT T2 abbiamo nella
bocca di aspirazione del compressore delle brusche variazioni di
sezione che comportano una perdita di carico dell'aria in
aspirazione ed inoltre per la sua particolare geometria un non
completo sfruttamento del bordo d’attacco delle palette.
La massima prevalenza come pure la portata generabile da un
compressore e' stabilita in fase di progetto e comporta la
definizione della geometria della girante e del compressore
Avere delle perdite di carico lungo la bocca di aspirazione (causa
filtri aria )con una pressione di alimentazione del compressore
diminuita significa diminuire della stessa portata quella che
avrebbe in caso di funzionamento ideale.
E’ quindi di massima importanza quando si operi un innalzamento
della pressione di sovralimentazione adottare tutti gli accorgimenti
necessari affinche non vi siano perdite di carico a monte del C.
,quindi filtri aria ad alta permeabilità condotti della massima
sezione possibile e per quanto possibile privi di curve e
restringimenti .
Medesimo lavoro occorre farlo dalla mandata del C. alle sedi valvola
(magari usando valvole a farfalla maggiorate e/o valvole
maggiorate).
Al lato scarico e' importante ricordare che i gas uscenti dal motore
possiedono l’energia necessaria all’azionamento del T.C. ; quindi
curare la finitura delle superfici interne dei condotti di scarico
nonche' della chiocciola equivale a diminuire le perdite di carico
ed ai bassi carichi del motore ,quando i gas hanno un una portata e
temperatura basse i miglioramenti saranno tantopiu' avvertibili .
In questo senso e' pure importante limitare le perdite termiche del
collettore di scarico usando delle vernici o meglio degli opportuni
isolanti.
N.B.
Le perdite di carico sono delle resistenze passive, la loro presenza
lungo le condotte di alimentazione provoca una trasformazione della
energia in calore che viene da queste dissipata e quindi persa.
Considerazioni.
La presenza lungo la linea di alimentazione del motore di un
intercooler e' vero che genera una perdita di carico ,ma e' pure
vero che l’aumento di densita' dell’aria che ne determina ne
compensa abbondantemente le perdite.
Un'altra cosa da curare è lo scarico della turbina .
Dalla turbina in poi è’ bene che il flusso dei gas non sia
ostacolato: :il turbo funziona a salti di pressione (fra la
mandata e lo scarico)la presenza di una contropressione limiterà la
possibilità di sfruttare appieno l’energia dei gas.
In questi ultimi anni tutte le motorizzazioni sia diesel sia a
benzina usano un catalizzatore onde abbattere gli inquinanti inoltre
le
più restrittive norme contro l’inquinamento acustico hanno imposto
l’uso di marmitte più restrittive tutto ciò comporta una
perdita di rendimento delle turbine.
Può in una certa misura compensare queste perdite l’uso di un
diffusore allo scarico della turbina ,questo infatti causerà una
aumento della velocità dei gas (non della massa) ed una diminuzione
della temperatura e quindi della pressione aumentando
al contempo il salto di pressione.
E’ pure utile (apprezzabile soprattutto ai bassi regimi) la
realizzazione di sistemi che limitino il reflusso dei gas di scarico
dal collettore di scarico ai cilindri :la presenza della turbina
infatti crea una contropressione allo scarico (delle onde di
pressione) che crea appunto il riflusso.
Questo è evitabile (o almeno limitabile) realizzando dei voluti
salti fra la testata (lato scarico) ed il collettore asportando da
quest’ultimo una quota di corona circolare e raccordandola
dolcemente al proprio diametro nominale.
Questo è applicabile un po’ ovunque : fra il collettore di scarico e
la turbina e all’uscita della turbina compatibilmente con
l’eventuale presenza del diffusore) e sul lato aspirazione.
La realizzazione degli anti-riflusso lato aspirazione è’ utile
soprattutto in caso di forte anticipo nell’apertura della valvola di
aspirazione.
Questi accorgimenti migliorano la trattabilità del propulsore
donandogli una maggiore corposità e consistenza sin dai minimi
regimi di rotazione, con una più dolce entrata in coppia del
motore, anche se questo può provocare una diminuzione della massima
potenza erogabile stimabile in circa il 2%.
Occorre prestare attenzione alla carburazione del motore dopo
l’effettuazione di questi lavori infatti la fluidodinamica del
motore viene stravolta, e sopratutto nei motori ad iniezione è
probabile che si debba correggere la fase di iniezione per evitare
che la miscela carburata non fuoriesca dal cilindro attraverso le
valvole di scarico creando pericolosissimi smagrimenti.
Non so se i propulsori ad iniezione catalizzati (dotati di sistema
autoadattivo) siano in grado di compensare e correggere i parametri
di anticipo .
Pure l’anticipo di accensione necessita di essere corretto infatti i
tempi mappati nella centralina sono frutto delle condizioni
operative del motore.
Ma se la centralina è in grado di autoadattarsi alle nuove
caratteristiche operative del motore tempo qualche decina di
chilometri effettuati nelle più svariate condizioni operative del
motore ( va escluso comunque il range di potenza massima che puo'
richiedere degli aggiustamenti di carburazione ed accensione)
esclusa la massima potenza con l’acceleratore tutto aperto) ,il
risultato sarà una erogazione che farà esclamare .
Anche la valvola a farfalla del motore potrebbe richiedere degli
aggiustamenti o addirittura la sostituzione con una più grande che
permetta causa minore perdite di carico un maggior afflusso d’aria
al motore.
E’ altresi’ importante il suo perfetto allineamento all’asse del
condotto e la totale assenza di oscillazioni.
E’ pero’ inutile intervenire in questo punto se i condotti di
aspirazione sono sottodimensionati, ma è di fondamentale importanza
quando si sono lavorati questi ultimi e se sono state maggiorate le
valvole ,insomma in tutti i casi in cui si è migliorata la
fluidodinamica degli stessi.
Nel migliore dei casi una riprofilatura al top della valvola a
farfalla può dare incrementi di potenza anche del +5/10%.
Per riprofilatura al top si intende rendere aereodinamica la
farfalla assottigliandola ,riducendo il balestrino (ma senza
indebolirlo), ed eliminando le viti.
La riprofilatura della farfalla non richiede la rivisitazione dei
parametri della centralina ;al contrario la sua sostituzione con una
dal diametro maggiore permetterà a pari percentuale di apertura
(intesa come angolo) un maggiore afflusso d’aria e poiché la
centralina gestisce l’arricchimento in fase di progressione tramite
un potenziometro che ne misura l’apertura si ritroverà a gestire
parametri a lei sconosciuti, occorrerà quindi una riprogrammazione
dei parametri.
LA DETONAZIONE E LA PREACCENSIONE
I fenomeni piu'
pericolosi per un propulsore sono la detonazione e la preaccensione
nelle quali si può incorrere innalzando la pressione di
sovralimentazione.
Questi due eventi causati da una PME e da una temperatura in camera
di scoppio eccesivi possono portare alla distruzione del motore in
pochi secondi.
Premesso questo ogni sistema atto a scongirarla e' benvenuto.
Le tecniche possibili sono tante: si va dalla decompressione del
motore all'uso di benzine speciali,passando anche per una drastica
riduzione degli anticipi di accensione.
Tutti i sistemi enunciati hanno dei pro e dei contro.
La decompressione del motore comporta un discreto esborso
economico,come pure l'uso di benzine speciali che possono arrivare
anche a 20.000 lire al litro.
La diminuzione dell'anticipo dal canto suo determina una diminuzione
del rendimento termodinamico,con conseguente diminuzione della
potenza peggioramento dell'erogazione ai bassi regimi e
peggioramento dei consumi.
Un altro sistema e' quello di diminuire la temperature in camera di
scoppio e diminuire la richiesta ottanica del motore tramite
l'iniezione d'acqua nel motore che comporta un estrazione di calore
notevole e che verra' trattata piu' avanti.
Il problema potrebbe essere limitato usando candele dalla gradazione
termica più fredda ;dico potrebbe perché potrebbe essere causata
anche da punti caldi nella testata ad esempio bave di fusione che
diventando incandescenti provocano l’accensione della miscela prima
dello scoccare della scintilla , ma potrebbe pure essere causata da
una eccessiva velocita’ di compressione del pistone causata da
bielle troppo corte.
INTERCOOLER
intercooler in alluminio
Per gia esposti la sovralimentazione comporta un innalzamento di
temperatura ,la densita' dell'aria ad essa correlata non sara'
quindi direttamente proporzionale alla pressione.
Questo è determinato dall'introduzione di attriti da parte del
compressore.
Questa quota di attriti (lavoro speso in piu') comportano una
trasformazione isobara (a pressione costante),che va a sommarsi al
lavoro "adiabatico".
La presenza dell'intercooler nell impianto di sovralimentazione
comporta anche questa volta una trasformazione isobara
r2/r1=T1/T2 dove r2 e' la densità dell'aria dopo la trasformazione
r1 è la densita' dell aria prima della trasformazione (1.29 alla
temperatura di 0°C ad 1Atm)
T2 è la temperatura dell'aria dopo la trasformazione (temperatura in
°K)
T1 è la temperatura dell'aria prima della trasformazione
(temperatura in °K)
quindi
r2=T1/T2*r1
esempio:
se la temperatura in uscita dal compressore e' di 150°C e l'intercooler
e' capace di portarla a 50°C e si ipotizza una densità dell
aria in uscita dal compressore di r150°=2.5
si ha:
r50°=(150+273)/(50+273)*2.5=3.27
la densita' dell'aria è aumentata considerevolmente e con essa la
potanza:
r50°/r°150=1.308
densita' +30.8%
potenza +30.8%
rispetto allo stesso motore privato dell'intercooler.
Purtroppo non è facile calcolare la densità dell'aria all'uscita del
compressore a meno che non si conoscano i rendimenti dello stesso.
Infatti calcolarla con le relazioni adiabatiche o limite portano a
degli errori grossolani (non si tiene conto degli attriti e quindi
del lavoro speso in piu').
La soluzione è quella di misurare le temperature (con apposite
sonde) di ingresso ed in uscita dal compressore.
La differenza di temperatura fra la mandata e quella calcolata dalla
adiabarica assieme al volume trattato rende calcolabile il
rendimento del compressore.
Va da se che l' intercooler deve essere delle massime dimensioni
possibili e correttamente ventilato.
La misura della temperatura aria a valle dello stesso da delle
corrette indicazioni in merito al suo dimensionamento e
dimensionamento e posizionamento.
L’INIEZIONE D’ACQUA.
applicazione tipica
La soluzione peraltro impiegata con grande successo nella F1
nell'era dei 1500turbo e tuttora (senza poterne fare a meno) nel
campo di rallye gruppo A e WRC sta nell'iniezione d'acqua
all'interno del motore.
il principio su cui si basa sta nell'estrazione di calore che
l'acqua comporta in camera di scoppio durante la sua evaporazione,e
nella diminuzione della richiesta ottanica del motore che ha in
presenza di umidita' nell'aria.
Il principio e’ semplice: la nebulizzazione dell’acqua nei condotti
di aspirazione del motore; quest’acqua nebulizzata entratando nella
camera di scoppio evaporerà assorbendo una certa quota di calore
(proporzionale alla sua quantità) che allontanerà i problemi sopra
esposti.
Un altro bonus dovuto a questa applicazione è l'effetto "pulivapor"
che l'acqua determina in camera di scoppio con la costante azione
pulente su pistoni,valvole e testata che questa esercita.
Per la sua realizzazione base e’ necessario munirsi di una pompa per
l’acqua capace di pressioni superiori di almeno 2bar a quella di
sovralimentazione ,di tubi in teflon ,di un ugello da applicare sul
condotto di alimentazione aria del motore ,di un filtro per l’acqua
, di un pressostato tarabile e di una tanica per l’acqua.
Le dimensioni dell’ugello vanno provate di volta in volta ma può
essere indicativo un diametro di 0.3-0.7 mm.
Questo sistema base permette l’erogazione dell’acqua al superamento
del limite impostato sul pressostato, ma la portata sarà costante (o
un po’ decrescente al crescere della sovralimentazione).
Il passo successivo e’ quello di rendere l’erogazione dell’acqua
proporzionale alla pressione di sovralimentazione e meglio ancora
anche al numero di giri del motore magari collegando il tutto
all’eventuale debimetro.
Può essere parecchio utile dotare il serbatoio dell’acqua di un
galleggiante per segnalare la riserva, di una serie di diodi LED
che segnalino l’entrata in funzione dell’impianto.
L’aggiunta all’acqua di una percentuale variabile da0% ad un massimo
del 50% di alcool metilico o etilico aumenterà la potenza
del motore allontanando al contempo possibili detonazioni.
Quanto questo impianto consenta di aumentare la potenza del motore
non e’ facilmente stimabile, ma per dare un esempio una tipica
vettura come la Renault R5 GT TURBO in condizioni normali presenta
detonazione con pressioni della turbina intorno a 1.2 bar , con
l’adozione della iniezione d’acqua e’ possibile spingersi nei casi
migliori anche a 1.8-2.0 bar , e considerando che a queste pressioni
la turbina originale (GARRETT T2) e’ parecchio fuori dal suo campo
ottimale di funzionamento quindi con temperature di mandata aria
elevatissime e’ facile supporre che adottando un turbocompressore
maggiorato ed un adeguato intercooler si potrebbero adottare
pressioni ancora più elevate.
Uso il condizionale poiché con quelle pressioni sicuramente la
guarnizione di testa non resisterebbe per molti minuti!
N.B.
Nonostante su certa editoria specializzata venga proposto il
montaggio dell’iniettore a monte del compressore quale sistema
pratico ed economico , voglio mettere in guardia coloro che si
facciano tentare.
Personalmente ho adottato questo sistema attirato dalla sua estrema
semplicità (si evitano le pompe a pressione e si utilizzano quelle
dei lavavetri), ma il suo uso ha decretato la distruzione della
girante del compressore, infatti seppur correttamente nebulizzata
l’acqua incontrando le palette della girante che ricordo possono
raggiungere anche i 200.000 g/min con velocità periferiche
elevatissime si comporta come un corpo solido erodendo alla lunga il
prezioso componente.
POP-OFF
POP-OFF con predisposizione per scarico interno
Generalmente questo
dispositivo e' sconosciuto al grande pubblico ma la sua importanza
e' fondamentale per la sicurezza del turbocompressore.
Il suo compito e' quello di evaquare l'aria compressa intrappolata
tra il compressore e la valvola a farfalla nel momento del rilascio
dell'acceleratore.
Il motivo della sua importanza deriva dalla pericolosita' dell'onda
di contropressione generata che arriva alle palette del compressore
e ne determina un brusco rallentamento.
Ne esistono di due tipi: quelli predisposti per lo scarico esterno e
quelli per lo scarico interno (vedi foto sopra).
generalmente le motorizzazioni dotate di debimetro per la misura
dell'aria aspirata richiedono lo scarico a monte del compressore
(scarico interno) onde evitare errati arricchimenti della
carburazione.
BLOW-BY
Durante il
funzionamento del motore causa trafilamenti dei gas combusti in
camera di scoppio attraverso le fasce elastiche si
può avere nel basamento un aumento (spece in presenza di forti
sovralimentazione e di motore consumato) un innalzamento
della pressione che causa un accentuato passaggio di olio attraverso
fasce e guidavalvole in camera di scoppio aumentando la
possibilità che si verifichi la detonazione.
Inoltre causa l’elevata pressione che può raggiungere diversi bar
possono sorgere problemi di lubrificazione anche per la turbina
,infatti lo scarico dell’olio di questa avviene generalmente per
caduta in coppa ,ma se vi e’ una elevata pressione questa può
creare problemi al suo normale fluire.
E’ importante quindi migliorare lo sfiato del basamento o
realizzarlo ex-novo.
In genere la differenza fra un impianto mediocre ed uno ben
realizzato è quantificabile in 2-4CV.
In genere è sufficiente allungare il tubo di sfiato originale e
portarlo ad un serbatoio di raccolta di circa 1 Lt usando tubi del
maggior diametro possibile ,Il serbatoio e’ bene che si trovi il più
in alto possibile compatibilmente con lo spazio disponibile .
Il serbatoio non deve essere ermetico bensi’ deve a sua volta
scaricare i vapori tramite un altro tubo (medesimi diametro) o
verso l’aspirazione del motore o in aria aperta (gli ecologisti
inorridiranno).
SICUREZZA DEL MOTORE
Nel preparare un
motore turboalimentato e’ importante considerare la sua destinazione
d’uso ,bisogna distinguere infatti l’uso in competizione da quello
di un appassionato che comunque usa l’auto per spostarsi; in quest’ultimo
caso infatti e’ inutile avere un motore con un botto di cavalli ma
inguidabile nel traffico cittadino, e ancor peggio un motore che e’
poco affidabile.
Per migliorare quest’ultima oltre a non esagerare con la pressione
di alimentazione cosa che per altro richiederebbe l’adeguamento di
guarnizione testa, prigionieri testa impianto di raffreddamento e di
lubrificazione adeguati, e’ utile munire la propria vettura di una
serie di strumenti di monitoraggio del motore cosa che farebbe
rassomigliare l’abitacolo alla cabina di guida di un aereo a
reazione.
Benvengano quindi :un termometro per il controllo dei gas di scarico
che non dovrebbero mai superare gli 850°C,monitorare la temperatura
dell’olio motore (quando l’auto non ne sia già
provvista),temperatura aria sovralimentazione, lettura della sonda
lambda per il controllo della carburazione (la tensione dovrebbe
aggirarsi intorno gli 0.8-0.9 V alla massima potenza).
Per quanto possa sembrare strano pure i cavi candela hanno la
propria importanza infatti causa dispersioni possono verificarsi
delle mancate accensioni e con certe pressioni la quantita’ di
benzina e’ tale da lavare i cilindri e provocarne il grippaggi
,senza contare poi le esplosioni che si verificherebbero a livello
di collettori o catalizzatre.
Quindi sempre al massimo della loro efficienza meglio se di quelli
siliconici.
Nonostante si sia già affrontato il discorso sulle candele ritengo
opportuno ripetere l’importanza della corretta scelta del loro grado
termico.
Inoltre esistono varie configurazioni di elettrodi proposti dalle
varie case produttrici anche qui’ si possono ottenere dei
miglioramenti effettuando opportune scelte.
Ancora sulle candele e sugli impianti di accensione si puo' dire che
in caso di livelli di sovralimentazioni particolarmente elevati
possono sorgere problemi di accensione (misfire).
La specialita' dei dragster affronta giornalmente queste
problematiche che vengono aggirate con impianti di accensione capaci
di sviluppare tensioni doppie e triple rispetto a quelli della
grande serie e con l'uso di candele spaciali che fanno uso di
metalli nobili come il platino , l'iridio e palladio.
